永磁式開關磁阻電機在電力推進中的應用研究

羅 磊，胡 旭

應用研究

永磁式開關磁阻電機在電力推進中的應用研究

羅 磊1，胡 旭2

（1. 海裝駐武漢地區第六軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

新型永磁式開關磁阻電機在保留傳統開關磁阻電機優點的同時克服換流相對較慢、能量利用率較低等缺點，本文在此基礎上針對永磁式開關磁阻電機的特點提出了一種基于PMSRM的船舶電力推進系統，該系統采用模糊PI的控制方法。通過Simulink仿真建模，驗證了該系統具有跟蹤速度快、控制精度高的性能。

永磁式開關磁阻電機 船舶電力推進 模糊PI控制方法

0 引言

近年來，隨著大功率電動機變頻調速技術的不斷進步，全電力推進船舶憑借其靈活的空間布局、安靜高效的機動性能、更低的燃油消耗率，成為現代船舶推進技術的重要發展方向。目前應用于船舶電力推進的電機主要有直流電機、感應電機、永磁同步電機。開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）是一種基于定轉子具有可變磁導原理回路設計的電動機，采用雙凸極結構，僅定子上有集中繞組。傳統SRM的轉子上既無繞組也無永磁體，與其它電機相比具有以下特點：1）結構簡單堅固，能適用于惡劣環境；2）損耗主要產生在定子，電機易于冷卻；3）效率高，起動轉矩大，調速范圍寬，低速性能好。現如今，開關磁阻電機的應用和發展取得了明顯的進步，已成功地應用于電動汽車、紡織機械和家用電器等各個領域，功率范圍從10 W到5 MW，最大速度高達100,000 r/min。

1 傳統SRM在船舶電力推進應用中存在的問題

由于開關磁阻電機的結構特點，傳統的SRM在船舶電力推進系統中的推廣應用存在以下問題：

1）SRM采用雙凸極結構，其轉矩輸出與電流方向無關，僅與相繞組的電感變化率有關，轉矩僅在電感增加區域產生，一個工作周期中繞組最多只能導通半個周期，導致電機繞組利用率較低，限制了SRM的出力能力。

2）大功率電機的最大電感通常設計較大，而繞組換流一般發生在最大電感區附近。功率開關管長期在大電感下關斷容易導致其故障率上升，隨著電機功率提高該問題尤為突出。

3）SRM工作在脈沖供電方式中，瞬時轉矩脈動大，轉速很低時，步進狀態明顯，而且由于其本身的非線性，導致轉矩控制困難。

4）SRM實質上屬于單勵電機，由于繞組的電流中有一部分激磁分量，勵磁損耗不僅影響能量利用率，還會額外增加電機及功率變換器的容量。

隨著稀土永磁材料的研究和發展，引入永久磁鋼的新型開關磁阻電機不斷涌現，這類電機在保留傳統SRM優點的同時克服換流相對較慢、能量利用率較低等缺點，增加了電機的轉矩密度。在此基礎上，本文提出了一種基于永磁式開關磁阻電機（PMSRM）的電力推進系統，下面將詳細論述其系統結構及控制方法。

2 一種基于PMSRM的電力推進系統

1）系統總體結構設計

基于PMSRM的電力推進系統主要由永磁式開關磁阻電機、功率變換器、控制器、電流傳感器和位置傳感器構成。

圖1 PMSRM電力推進系統結構框圖

該系統為雙閉環調速，采用電流斬波控制方法，轉速環作為外環使PMSRM的轉速能夠精準快速地跟隨速度給定，電流環作為內環主要在電機啟動和低速運行時抑制電流峰值不超過允許范圍，同時確保電機產生平穩的電磁轉矩。

2）速度控制器的設計

由于PMSRM具有良好的動態性能，因此速度控制器采用PI控制。數學表達式如下：

PI控制作為工程中最常用的一種控制方式，能夠有效的實現電機轉速的快速響應，但比例積分系數的整定是實現PI速度控制器精確穩定的關鍵所在。為了更好地控制PMSRM，可采用分層控制，在不同的速度區設置不同的PI參數。

3）模糊PI控制

表1 模糊語言表

表2 隸屬度表格

3 Simulink仿真驗證

本文通過Simulink建模對該系統的可行性進行驗證，分別建立了永磁式開關磁阻電機的模型以及模糊PI控制方法模型，模型如下：

圖2 模糊PI控制模型

圖3 永磁式開關磁阻電機單相繞組模型

仿真結果如圖4所示。

圖4 PMSRM單相電流波形

圖5 PMSRM轉速波形

通過仿真波形可以看出，相電流波形比較理想，轉速上升過程比較平滑。電機各相電流相互疊加，從而降低轉矩脈動。試驗結果證明了該電力推進系統的有效性。

4 結束語

永磁式開關磁阻電機保留了傳統開關磁阻電機的雙凸極結構和集中繞組的形式，在具備傳統開關磁阻電機優勢的同時還具有永磁電機高轉矩密度和高運行效率的優點。但開關磁阻電機固有的轉矩脈動大、振動噪聲等問題依然存在，這是限制其推廣的主要瓶頸。隨著對減噪減振、轉矩脈動抑制和無位置傳感器等方向的進一步研究，基于新型永磁式開關磁阻電機的電力推進系統將在航海領域具有廣闊的應用前景。

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Application study of permanent magnet switched reluctance motor in electric propulsion

Luo Lei1, Hu Xu2

(1. Naval Representative Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM352

A

1003-4862（2022）01-0056-03

2021-06-28

羅磊（1987-），男，工程師，主要從事武器裝備質量監督工作，專業方向電氣工程與自動化。Email：451024834@qq.com